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WO2021151589A1 - Apparatus for manufacturing fibre-reinforced components - Google Patents

Apparatus for manufacturing fibre-reinforced components Download PDF

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Publication number
WO2021151589A1
WO2021151589A1 PCT/EP2020/087364 EP2020087364W WO2021151589A1 WO 2021151589 A1 WO2021151589 A1 WO 2021151589A1 EP 2020087364 W EP2020087364 W EP 2020087364W WO 2021151589 A1 WO2021151589 A1 WO 2021151589A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fiber
rotation
robot arm
carrier
winding
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/087364
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ingolf Müller
Andre Stieglitz
Original Assignee
Zf Friedrichshafen Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zf Friedrichshafen Ag filed Critical Zf Friedrichshafen Ag
Priority to US17/796,521 priority Critical patent/US20230347598A1/en
Priority to CN202080095028.1A priority patent/CN115023336A/en
Priority to EP20838995.7A priority patent/EP4096904B1/en
Publication of WO2021151589A1 publication Critical patent/WO2021151589A1/en

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    • B29C53/8008Component parts, details or accessories; Auxiliary operations specially adapted for winding and joining
    • B29C53/8016Storing, feeding or applying winding materials, e.g. reels, thread guides, tensioners

Definitions

  • the present invention relates to a device for the production of fiber-reinforced components according to a three-dimensional winding process, the device comprising at least one computer-controlled winding machine for wrapping a fiber carrier arranged on an axis of rotation with filamentary continuous fiber strands with at least one winding pattern provided on at least one spool.
  • the invention further relates to a method for generating winding patterns on a fiber carrier.
  • DE 10 2017 222 479 A1 discloses a device for manufacturing fiber reinforced components using a three-dimensional winding method and a method for generating winding patterns on a fiber carrier.
  • DE 10 2017 222 479 A1 describes a robot with which a thread made of a fiber-reinforced plastic composite material is wound onto a core in order to form the component. The core is picked up on the robot arm, the core being guided by the robot arm while the thread is being wrapped, or the core is picked up on an axis, the thread being guided by a robot arm to feed the core with the thread wrap around.
  • DE 10 2017 005 754 A1 describes a system for manufacturing fiber-reinforced components using a three-dimensional winding process.
  • the three-dimensionally movable winding machine is positioned centrally in an annular cage, with a plurality of rotatable plate-shaped carrier elements for fitting with a fiber carrier being fastened from the outside along a circumference of the cage.
  • the fiber carriers face the winding machine after they have been loaded.
  • a coil unit with the continuous fiber strand is attached to the winding machine, with a head of the winding machine for guiding the continuous fiber strand and for three-dimensional Wicke development of the fiber carrier with the continuous fiber strand.
  • the wrapping of the fiber carriers takes place successively in accordance with the annular arrangement of the carrier elements equipped with the fiber carriers.
  • a device for the manufacture of fiber-reinforced structural parts is proposed according to a three-dimensional winding process, the device comprising at least one computer-controlled winding machine for winding a fiber carrier arranged on a rotation axis with filamentary continuous fiber strands with at least one winding pattern provided on at least one bobbin.
  • the at least one winding machine is designed as a robot arm having several axes of rotation, which deposits at least two fiber strands at the same time, the at least one robot arm for the simultaneous deposit of the at least two fiber strands distributed over at least two fiber carriers and each arranged on a separate axis of rotation / or is set up for the simultaneous depositing of the at least two fiber strands on only one fiber carrier arranged on a separate axis of rotation.
  • the at least one winding machine is designed as a robot arm having six axes of rotation.
  • the respective axis of rotation forms a seventh axis of the device around which the respective fiber carrier rotates when the thread is laid down.
  • the device can have at least one device for maintaining a predeterminable fiber strand tension independently of the feed direction of the respective fiber strand between the bobbin and the fiber carrier.
  • the predeterminable fiber strand tension of the respective fiber strand can be maintained both during unwinding, i.e. feeding the respective fiber strand, and rewinding, i.e. rewinding an excessively withdrawn fiber strand.
  • the at least one device can comprise at least one electronically controlled synchronous motor which drives the coil.
  • Synchronous motors are ideal for applications in which a load-independent, stable speed is required, as is the case when maintaining the fiber strand tension.
  • a synchronous motor enables a compact and efficient design of the device for maintaining the fiber strand tension, which is reflected in the total weight of the at least one device.
  • Each coil is driven by an electronically controlled synchronous motor.
  • the at least one device can comprise at least one sensor unit for detecting the fiber strand tension and at least one computing unit for controlling the at least one synchronous motor as a function of the detected fiber strand tension.
  • the at least one sensor unit preferably works without contact in order to minimize the influence on the fiber strand tension to be detected.
  • the at least one device for maintaining the fiber strand tension can be provided with a receiving unit for would take at least one coil to be connected. At least one spool carrying the fiber strand to be unwound can be arranged on the receiving unit. Before given, the coil is positively connected to the synchronous motor. Particularly preferably, two or more coils can be arranged on the receiving unit, each of which is positively connected to the respective driving synchronous motor. This allows the number of fiber-reinforced components to be produced at the same time to be increased accordingly.
  • the synchronous motors on the recording unit can be controlled by a common arithmetic unit. Alternatively, each of the synchronous motors can be controlled by a separate processing unit.
  • the at least one coil can be arranged at a distance from the at least one robot arm.
  • This arrangement has the advantage that the at least one coil that is spatially spaced apart from the robot arm does not form any additional mass that has to be carried by the robot arm.
  • the robot arm In the case of external material storage, the robot arm only carries a storage unit with which the fiber strand is guided when it is wrapped around and placed on the fiber carrier.
  • the at least one device for maintaining the fiber strand tension is correspondingly arranged with the receiving unit for receiving the at least one coil at a distance from the robot arm.
  • the at least one coil can be arranged on the at least one robot arm.
  • This arrangement has the advantage that the free thread length, i.e. the distance between the bobbin and the fiber carrier, is kept small and the robot arm can move at higher speeds.
  • both the at least one device for maintaining the fiber strand tension and the at least one coil are carried along directly on the robot head, i.e. the free end of the robot arm.
  • the axis of rotation on which the fiber carrier is arranged can be arranged on the robot arm.
  • an external material supply is provided, in which in addition to the at least At least one coil, accordingly, the at least one device for maintaining the fiber strand tension with the receiving unit are arranged spatially spaced from the robot arm.
  • At least one thread eye can be arranged on the at least one robot arm for essentially low-friction feeding of the respective fiber strand.
  • This is important when feeding the fiber strand, since the fiber strand is a pre-impregnated thread-like semifinished product, for example a towpreg semifinished product, yarnpreg semifinished product, uni-tape semifinished product or pre-preg semifinished product.
  • Pre-impregnated semi-finished products are used because they allow winding speeds up to a factor of 10 to be achieved compared to the classic wet winding process. Due to the stickiness of the pre-impregnated fiber strand and the use of the three-dimensional winding process as well as the rotation of the component around an axis of rotation, curved winding paths can be generated outside the geodetic lines of the component.
  • At least two fiber carriers can be arranged essentially parallel to one another on separate axes of rotation.
  • a bogie can be provided which comprises at least two driven axes of rotation, on each of which a fiber carrier is arranged.
  • several parallel, similarly controlled rotary axes can be operated, on each of which a fiber carrier is arranged and thus can rotate about its winding axis. All parallel rotary axes rotate synchronously or almost synchronously, so that all rotary axes on the bogie are addressed simultaneously with one control command.
  • the receiving unit which carries the bobbins, has a device for maintaining the fiber strand tension in order to control the respective synchronous motor.
  • a simplified arrangement can be implemented in which rather, the receiving unit carrying the bobbins is used with only one device for maintaining the fiber strand tension for the bobbins.
  • the synchronous motors can be controlled by exactly one device for maintaining the fiber strand tension.
  • a configuration of the device for manufacturing fiber-reinforced components with a combination of a coil arrangement and a fiber carrier arrangement is particularly advantageous.
  • the coil arrangement can be provided in such a way that several coils are arranged in a matrix-like manner on a receiving unit, ie at least two coils in a row next to one another and at least two coils in a column one below the other, with fiber strands being withdrawn in parallel from each coils in a row .
  • the fiber carrier arrangement can have at least two fiber carriers to be wrapped, which are arranged on at least two parallel axes of rotation. The respective parallelized fiber strands are fed to the respective fiber carrier from the respective coils arranged in a row. This makes it possible to achieve a multidimensional parallelization of the manufacturing process, by means of which the manufacturing speed in the dimension of the product can be increased by the number of fiber carriers and the number of fiber strands.
  • two robot arms can be arranged opposite one another, which are set up for the inverse storage of at least one fiber strand on a fiber carrier arranged between the robot arms on an axis of rotation.
  • Inverse storage is understood to mean a simultaneous mirror image or opposite storage of a respective fiber strand on the one on the axis of rotation arranged fiber carrier with respect to the axis of symmetry of the fiber carrier.
  • the axis of symmetry of the fiber carrier should coincide with the axis of rotation.
  • the two robot arms, arranged opposite one another can be set up for the inverse storage of two or more fiber strands on the fiber carrier arranged between the robot arms on the axis of rotation.
  • two fiber carriers can be arranged next to one another on a common axis of rotation.
  • at least two parallelized fiber strands can be deposited on two fiber carriers arranged between the robot arms on an axis of rotation, distributed at least in each case.
  • a method for generating winding patterns on a fiber carrier with a device according to one of claims 1 to 12 is proposed, in which the device is used to wind an even multiple of parallelized fiber strands, but at least two fiber strands, onto at least one fiber carrier become.
  • the at least one device can comprise at least one electronically controlled synchronous motor which drives a spool from which the fiber strand is drawn off.
  • the fiber strand tension is detected by means of a sensor unit and evaluated by a computing unit of the at least one device in order to control the synchronous motor as a function of the fiber strand tension.
  • two axes of rotation of the at least one robot arm having several axes of rotation can be controlled in such a way that they are operated at a constant angle during the entire winding process when fiber strands are deposited in parallel, distributed on fiber carriers arranged parallel to one another.
  • two or more fiber strands are withdrawn from the coils arranged in relation to one another, with which the fiber carriers arranged parallel to one another are wrapped.
  • the kinematics of the robot arm is restricted in order to ensure that all removed fiber strands run exactly parallel, have the same length or the same distance between the fiber carrier and the respective coil and arrive at the same point of the fiber carrier.
  • the at least one robot arm has six axes of rotation.
  • fiber-reinforced components for chassis of Fahrzeu conditions can be manufactured.
  • components with a clear load flow that is as constant as possible can be manufactured using the device or the method, in which the load flow is limited to a few dominant load directions.
  • all types of multi-point links, two-point links, three-point links, four-point links or five-point links can be represented with this method.
  • Functional components of the smallest mass with simultaneously high strength and stiffness values are created.
  • 1a-1e are schematic views of fiber-reinforced components designed as multi-point links
  • FIG. 2 schematically shows a device for the production of fiber-reinforced components according to a three-dimensional winding process
  • FIG. 3 schematically shows a device according to FIG. 2 according to a further embodiment
  • FIG. 4 schematically shows a device according to FIG. 2 according to a third embodiment
  • Fig. 5 schematically shows a device for parallelized storage of two fiber strands on two fiber carriers
  • FIG. 6 schematically shows a further development of the device according to FIG. 5;
  • Fig. 7 schematically shows a device for parallelized storage of two fiber strands on a fiber carrier
  • Fig. 8 schematically shows a device for parallelized depositing of two fiber strands on a fiber carrier according to a further embodiment.
  • FIGS. 1a to 1e schematic views of fiber-reinforced components 1 out as multi-point links are shown.
  • 1a shows a chassis structural component 1 designed as a two-point link.
  • the chassis structural component 1 comprises a body 2 which has at least two load application regions 4 which are connected to one another by a connecting structure 3.
  • the connection structure 3 of the body 2 can in particular be designed as a hollow profile.
  • the body 2 essentially determines the basic shape of the vehicle structural component 1.
  • FIGS. 1 b and 1 c two variants of a chassis structural component 1 designed as a three-point link are shown by way of example.
  • FIGS. 1d and 1e a chassis structural component 1 designed as a four-point link or a five-point link is shown by way of example.
  • Chassis structural components 1 designed as multi-point control arms can connect kinematic points in a chassis and / or in a wheel suspension and transmit movements and / or forces.
  • the connection of the multi-point link with other components of the chassis can be realized by means of joints that are arranged in the load application areas 4. Due to the symmetry of their shape and the arrangement of the load introduction areas 4, these components 1 have a clear, essentially constant load flow that is limited to a few dominant load directions.
  • the manufacture of such components As fiber-reinforced components using a three-dimensional winding process, it is possible to manufacture functional components of the smallest mass with high strength and rigidity values at the same time.
  • a device 10 for manufacturing such fiber-reinforced components 1 according to a three-dimensional winding method and a method for generating winding patterns on a fiber carrier 11 with such a device 10 are described below.
  • a device 10 for the manufacture of fiber-reinforced construction parts 1 is shown schematically according to a three-dimensional winding process.
  • the fiber carrier 11 consists of a foam material, which is wrapped with at least one thread-like continuous fiber strand 12, hereinafter referred to as fiber strand, made of a fiber plastic composite material.
  • the fiber carrier 11 essentially provides the contour of the component to be manufactured, but without exercising a load-bearing function.
  • the illustration shows the fiber carrier 11 with articulated elements already arranged on it in the load application areas 4.
  • the depositing takes place in the form of one or more different winding patterns, each winding pattern being assigned a specific task of influencing one or more mechanical properties of the component 1.
  • the device 10 comprises at least one computer-controlled winding machine which is designed as a robot arm 13 having six axes of rotation.
  • a control unit 14 is provided, which communicates with the robot arm 13 via a signal line or a bus system 15.
  • the fiber carrier 11 is arranged on a driven axis of rotation 16 of a bogie 17, onto which the at least one fiber strand 12 is wound with at least one winding pattern that can be predetermined by the control unit 14.
  • the drive of the axis of rotation 16 can also be controlled by the control unit 14 via the bus system 15.
  • the axis of rotation 16 of the bogie forms a seventh The axis of rotation of the device 10.
  • the at least one fiber strand 12 is provided on at least one spool 18.
  • the coil 18 is arranged at a spatial distance from the robot arm 13.
  • the device 10 further comprises at least one device 19 for maintaining a predeterminable fiber strand tension.
  • the respective device 19 comprises a drive motor, a computing unit 21 and at least one sensor unit 22 for detecting the fiber strand tension.
  • the coil 18 is non-rotatably arranged on an axis 23 which is driven by the drive motor, which is designed as an electronically controlled synchronous motor 20.
  • the fiber strand 12 withdrawn from the bobbin 18 is fed to the fiber carrier 11 essentially without friction to the thread eyes 24 arranged on the robot arm 13.
  • the computing unit 21 is set up to evaluate the signals of the at least one sensor unit 22 and to control the at least one synchronous motor 20 as a function of the detected fiber strand tension.
  • the activation of the at least one synchronous motor 20 by the arithmetic unit 21 enables the predeterminable fiber strand tension to be maintained. This is necessary in order to avoid a lengthening or shortening of the fiber strand 12 caused by the movement of the robot arm 13.
  • the control unit 14 of the robot arm 13 can be connected to the processing unit 21 by the bus system 15 in order to transmit the movement profile of the robot arm 13, which has six axes of rotation, to the processing unit 21. In this way, the precision with which the fiber strand tension is maintained by controlling the synchronous motor 20 can be increased.
  • the spool 18 driven by the synchronous motor 20 can be operated in such a way that alternating unwinding and rewinding of the fiber strand 12 is possible by changing the direction of rotation.
  • FIG. 3 shows schematically the device 10 according to FIG. 2 according to a further embodiment.
  • This embodiment of the device 10 differs from the one previously described by the different positioning of the at least one coil 18 and the device 19 for maintaining the predeterminable fiber strand tension of the at least one fiber strand 12.
  • the coil 18 and the device 19 are on the head 25 of the Robot arm 13 arranged and who the carried along by this.
  • the advantage of this arrangement is the shorter free path length of the fiber strand 12, whereby the control of the synchronous motor 20 is simplified. In addition, the speed of movement of the robot arm 13 can thereby be increased.
  • the device 10 of FIG. 2 according to a third Ausfer is shown approximately approximately.
  • the axis of rotation 16, on which the at least one fiber carrier 12 is rotatably arranged is arranged on the head 25 of the robot arm 13.
  • the coil 18 and the device 19 for maintaining the tension of the fiber strand are arranged at a spatial distance from the robot arm 13.
  • the fiber carrier 11 is shown according to this third in FIG 4 guided by the robot arm 13.
  • Fig. 5 shows schematically the device 10 for the parallelized storage of two fiber strands 12 on two fiber carriers 11.
  • An M-fold parallelized fiber strand storage on several parallel fiber carriers 11 increases the efficiency of the method for generating winding patterns on the fiber carriers 11 and thus the production of the components 1 is achieved.
  • the device 10 is based on the embodiment described with reference to FIG. 3.
  • a receiving unit 26 for receiving two or more coils 18 is arranged vertically one above the other on the head 25 of the robot arm 13. Thereby are according to the number of the coils 18, two or more devices 19 for maintaining the fiber strand tension, as already described above, are connected to the receiving unit 26.
  • Each device 19 serves to maintain the fiber strand tension of the respective fiber strand 12 drawn from a spool 18.
  • the bogie 17 comprises two or more driven axes of rotation 16, corresponding to the number of columns arranged above the reels 18, on each of which a fiber carrier 11 is arranged.
  • the control unit 14 controls the drives of the axes of rotation 16, which form the seventh axis of rotation of the device 10, in such a way that the mutually parallel axes of rotation 16 of the rotary frame are operated in the same way.
  • the computing units 21 of the devices 19 control the synchronous motors 20 driving the axles 23 in such a way that the fiber strand feed process from the coils 18 picked up in parallel by the receiving unit 26 also proceeds in the same way.
  • all axes of rotation 16 or axes 23 oriented in parallel can rotate synchronously so that all axes of rotation 16 or axes 23 can be addressed simultaneously with one control command.
  • FIG. 6 schematically shows a further development of the device 10 according to FIG.
  • the implementation of this development of the device 10 should limit the influence of external disturbances, such as geometrical deviations, essentially the same unwinding state, i.e. essentially the same diameter of the bobbins 18, and the like.
  • a simplified embodiment of the device 10 can be that it can be operated with only one device 19 but two or more synchronous motors 20 for driving the coils 18.
  • FIG. 7 schematically shows the device 10 in an embodiment which is set up for parallel storage of two fiber strands 12 on a single fiber carrier 11.
  • the receiving unit 26 carries at least two coils 18 arranged next to one another in a horizontal row.
  • the filing of the fiber strands 12 takes place in accordance with the respective winding pattern to be generated on almost parallel filing tracks, ie with a slight spatial offset of the individual fiber strands 12.
  • the entire component 1 usually settles from different winding patterns, which in turn are made up of several parallel fiber tows (winding orbits).
  • the basic construction principle of these three-dimensional wound components 1 is therefore very well suited for parallelization of the fiber strands 12.
  • Two or more fiber strands 12 from a corresponding number of devices 19 for maintaining the fiber strand tension with a small spatial distance can be parallel on a single Fadenträ ger 11 can be stored.
  • a respective winding pattern with x parallel fiber strands 12 can thus be represented by x / N winding orbits.
  • a multidimensional parallelization of the manufacturing process can be achieved through which the manufacturing speed in the dimension of the product of the number of fiber carriers 11 and the number of fiber strands 12 can be increased.
  • Fig. 8 schematically shows a device 10 for parallelized storage of two fiber strands 12 on a single fiber carrier 11 according to a further embodiment Wind up carrier 11.
  • the two robot arms 13 are arranged opposite one another, so that the bogie 17 is located between them.
  • the control unit 14 is set up to control the two robot arms 13 for inverse storage in each case at least one fiber strand 12 on the fiber carrier 11 arranged between the robot arms 13 on the axis of rotation 16.
  • a simultaneous mirror image or opposite direction Deposition of a respective fiber strand 12 on the one on the axis of rotation 16 to understand fiber carrier 11 with respect to its axis of symmetry.
  • the fiber carrier 11 is wrapped around a component 1 designed as a four-point link.
  • two opposing load application areas 4 are wrapped around at the same time.
  • This embodiment can also be developed further in that a receiving unit 26 for receiving two or more coils 18 is arranged on each of the heads 25 of the robot arms 13. The deposition of the two or more fiber strands 12 by the respective robot arm 13 takes place in parallel, as has been described by way of example with reference to the embodiment according to FIG. 7.

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Abstract

The invention relates to an apparatus (10) for manufacturing fibre-reinforced components (1) according to a three-dimensional winding method, comprising at least one computer-controlled winding machine for winding around at least one fibre carrier (11) arranged on an axis of rotation (16) with thread-like continuous fibre strands (12) provided on at least one reel (18) with at least one winding pattern. The at least one winding machine is designed as a robot arm (13) which has a plurality of axes of rotation and sets down at least two fibre strands (12) simultaneously, and the at least one robot arm (13) is designed to simultaneously set down the at least two fibre strands (12) distributed over at least two fibre carriers (11) each arranged on a separate axis of rotation (16) and/or to simultaneously set down the at least two fibre strands (12) on only one fibre carrier (1) arranged on a separate axis of rotation (16).

Description

Vorrichtung zur Fertigung von faserverstärkten Bauteilen Device for the production of fiber-reinforced components
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fertigung von faserverstärkten Bauteilen nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren, wobei die Vorrichtung zu mindest eine rechnergesteuerte Wickelmaschine zur Umwicklung eines auf einer Drehachse angeordneten Faserträgers mit auf zumindest einer Spule bereitgestellten fadenförmigen Endlosfasersträngen mit zumindest einem Wickelmuster umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung gemäß dem Anspruch 13 ein Verfahren zum Erzeu gen von Wickelmustern auf einem Faserträger. The present invention relates to a device for the production of fiber-reinforced components according to a three-dimensional winding process, the device comprising at least one computer-controlled winding machine for wrapping a fiber carrier arranged on an axis of rotation with filamentary continuous fiber strands with at least one winding pattern provided on at least one spool. The invention further relates to a method for generating winding patterns on a fiber carrier.
Aus der DE 10 2017 222 479 A1 ist eine Vorrichtung zur Fertigung von faserverstärk ten Bauteilen nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren sowie ein Verfahren zum Erzeugen von Wickelmustern auf einem Faserträger bekannt. So beschreibt die DE 10 2017 222 479 A1 einen Roboter, mit dem ein Faden aus einem Faserkunst stoffverbundmaterial auf einen Kern aufgewickelt wird, um das Bauteil auszubilden. Dabei wird der Kern an dem Roboterarm aufgenommen, wobei der Kern während des Umwickelns mit dem Faden von dem Roboterarm geführt wird oder der Kern wird an einer Achse aufgenommen ist, wobei der Faden von einem Roboterarm ge führt wird, um den Kern mit dem Faden zu umwickeln. DE 10 2017 222 479 A1 discloses a device for manufacturing fiber reinforced components using a three-dimensional winding method and a method for generating winding patterns on a fiber carrier. For example, DE 10 2017 222 479 A1 describes a robot with which a thread made of a fiber-reinforced plastic composite material is wound onto a core in order to form the component. The core is picked up on the robot arm, the core being guided by the robot arm while the thread is being wrapped, or the core is picked up on an axis, the thread being guided by a robot arm to feed the core with the thread wrap around.
Die DE 10 2017 005 754 A1 beschreibt eine Anlage zur Fertigung von faserverstärk ten Bauteilen nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren. Die dreidimensional bewegliche Wickelmaschine ist zentral in einem ringförmigen Käfig positioniert, wobei entlang eines Umfangs des Käfigs mehrere drehbare plattenförmige Trägerelemente zur Bestückung mit einem Faserträger von außen befestigt sind. Die Faserträger sind nach der Bestückung der Wickelmaschine zugewandt. An der Wickelmaschine ist eine Spuleneinheit mit dem Endlosfaserstrang befestigt, wobei ein Kopf der Wickel maschine zur Führung des Endlosfaserstranges und zur dreidimensionalen Wicke lung des Faserträgers mit dem Endlosfaserstrang ausgebildet ist. Die Umwicklung der Faserträger erfolgt dabei sukzessive entsprechen der ringförmigen Anordnung der mit den Faserträgern bestückten Trägerelemente. Ausgehend vom vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist es nun die Auf gabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Fertigung von faserverstärk ten Bauteilen nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren sowie ein Verfahren zum Erzeugen von Wickelmustern auf einem Faserträger weiterzubilden, dass diese sich durch eine höhere Effizienz bei der Fertigung von faserverstärkten Bauteilen auszeichnen. DE 10 2017 005 754 A1 describes a system for manufacturing fiber-reinforced components using a three-dimensional winding process. The three-dimensionally movable winding machine is positioned centrally in an annular cage, with a plurality of rotatable plate-shaped carrier elements for fitting with a fiber carrier being fastened from the outside along a circumference of the cage. The fiber carriers face the winding machine after they have been loaded. A coil unit with the continuous fiber strand is attached to the winding machine, with a head of the winding machine for guiding the continuous fiber strand and for three-dimensional Wicke development of the fiber carrier with the continuous fiber strand. The wrapping of the fiber carriers takes place successively in accordance with the annular arrangement of the carrier elements equipped with the fiber carriers. Based on the prior art described above, it is now the task of the present invention to develop a device for the production of fiber reinforced th components according to a three-dimensional winding method and a method for generating winding patterns on a fiber carrier that this is due to a higher efficiency in the Distinguish the manufacture of fiber-reinforced components.
Diese Aufgabe wird aus vorrichtungstechnischer Sicht ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Aus verfahrenstechnischer Sicht erfolgt eine Lösung der Aufgabe ausgehend vom Ober begriff des nebengeordneten Anspruchs 13 in Verbindung mit dessen kennzeichnen den Merkmalen. Die hierauf jeweils folgenden, abhängigen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. This object is achieved from the point of view of the device based on the preamble of claim 1 in conjunction with its characterizing features. From a procedural point of view, the problem is solved on the basis of the preamble of the independent claim 13 in connection with its characterizing the features. The subsequent dependent claims each reproduce advantageous developments of the invention.
Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Fertigung von faserverstärkten Bau teilen nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren vorgeschlagen, wobei die Vor richtung zumindest eine rechnergesteuerte Wickelmaschine zur Umwicklung eines auf einer Drehachse angeordneten Faserträgers mit auf zumindest einer Spule be reitgestellten fadenförmigen Endlosfasersträngen mit zumindest einem Wickelmuster umfasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die zumindest eine Wickelmaschine als ein mehrere Rotationsachsen aufweisender Roboterarm ausgeführt ist, der zu mindest zwei Faserstränge gleichzeitig ablegt, wobei der zumindest eine Roboterarm zur gleichzeitigen Ablage der zumindest zwei Faserstränge verteilt auf mindestens zwei auf jeweils einer separaten Drehachse angeordneten Faserträger und/oder zur gleichzeitigen Ablage der zumindest zwei Faserstränge auf nur einem auf einer sepa raten Drehachse angeordneten Faserträger eingerichtet ist. Insbesondere ist die zu mindest eine Wickelmaschine als ein sechs Rotationsachsen aufweisender Roboter arm ausgeführt. Insbesondere bildet die jeweilige Drehachse eine siebte Achse der Vorrichtung, um die der jeweilige Faserträger bei der Fadenablage rotiert. Hierdurch lässt sich die Anzahl gleichzeitig zu fertigender Bauteile erhöhen, bzw. die Ferti gungsdauer eines einzelnen Bauteils reduzieren. Insbesondere durch eine Kombina tion von paralleler Bewicklung von zwei oder mehr Faserträgern bei gleichzeitiger pa- rallelisierter Ablage von zwei oder mehr Fasersträngen auf dem jeweiligen Faserträ ger lässt sich eine Vervielfachung der Fertigungsgeschwindigkeit erreichen. Es findet eine mehrdimensionale Parallelisierung des Fertigungsprozesses statt, wodurch die Fertigungsgeschwindigkeit als Produkt aus der Anzahl M Faserträger und der Anzahl N abzulegender Faserstränge erhöht werden kann. According to the invention, a device for the manufacture of fiber-reinforced structural parts is proposed according to a three-dimensional winding process, the device comprising at least one computer-controlled winding machine for winding a fiber carrier arranged on a rotation axis with filamentary continuous fiber strands with at least one winding pattern provided on at least one bobbin. According to the invention, it is provided that the at least one winding machine is designed as a robot arm having several axes of rotation, which deposits at least two fiber strands at the same time, the at least one robot arm for the simultaneous deposit of the at least two fiber strands distributed over at least two fiber carriers and each arranged on a separate axis of rotation / or is set up for the simultaneous depositing of the at least two fiber strands on only one fiber carrier arranged on a separate axis of rotation. In particular, the at least one winding machine is designed as a robot arm having six axes of rotation. In particular, the respective axis of rotation forms a seventh axis of the device around which the respective fiber carrier rotates when the thread is laid down. This allows the number of components to be produced at the same time to be increased or the production time for an individual component to be reduced. In particular through a combination of parallel wrapping of two or more fiber carriers with simultaneous pa- Parallelized storage of two or more fiber strands on the respective fiber carrier enables the production speed to be multiplied. There is a multi-dimensional parallelization of the manufacturing process, whereby the manufacturing speed can be increased as the product of the number M fiber carriers and the number N fiber strands to be deposited.
Dabei kann die Vorrichtung zumindest eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer vorgebbaren Faserstrangspannung unabhängig von der Zuführrichtung des jeweili gen Faserstranges zwischen Spule und Faserträger aufweisen. Mittels der Einrich tung kann sowohl bei einem Abspulen, d.h. dem Zuführen des jeweiligen Faserstran ges, als auch einem Zurückspulen, d.h. dem Wiederaufwickeln eines überschüssig abgezogenen Faserstranges, die vorgebbare Faserstrangspannung des jeweiligen Faserstranges aufrechterhalten werden. The device can have at least one device for maintaining a predeterminable fiber strand tension independently of the feed direction of the respective fiber strand between the bobbin and the fiber carrier. By means of the device, the predeterminable fiber strand tension of the respective fiber strand can be maintained both during unwinding, i.e. feeding the respective fiber strand, and rewinding, i.e. rewinding an excessively withdrawn fiber strand.
Hierfür kann die zumindest eine Einrichtung zumindest einen elektronisch geregelten Synchronmotor umfassen, welcher die Spule antreibt. Synchronmotoren eignen sich vorteilhaft für Anwendungen, bei denen eine belastungsunabhängige, stabile Dreh zahl gefordert ist, wie dies bei der Aufrechterhaltung der Faserstrangspannung der Fall ist. Zudem ermöglicht ein Synchronmotor eine kompakte und effiziente Ausge staltung der Einrichtung zur Aufrechterhaltung der Faserstrangspannung, was sich im Gesamtgewicht der zumindest einen Einrichtung wiederspiegelt. Jede Spule wird von einem elektronisch geregelten Synchronmotor angetrieben. For this purpose, the at least one device can comprise at least one electronically controlled synchronous motor which drives the coil. Synchronous motors are ideal for applications in which a load-independent, stable speed is required, as is the case when maintaining the fiber strand tension. In addition, a synchronous motor enables a compact and efficient design of the device for maintaining the fiber strand tension, which is reflected in the total weight of the at least one device. Each coil is driven by an electronically controlled synchronous motor.
Insbesondere kann die zumindest eine Einrichtung zumindest eine Sensoreinheit zur Detektion der Faserstrangspannung und zumindest eine Recheneinheit zur Ansteue rung des zumindest einen Synchronmotors in Abhängigkeit von der detektierten Fa serstrangspannung umfassen. Die zumindest eine Sensoreinheit arbeitet bevorzugt berührungslos, um den Einfluss auf die zu detektierende Faserstrangspannung zu minimieren. In particular, the at least one device can comprise at least one sensor unit for detecting the fiber strand tension and at least one computing unit for controlling the at least one synchronous motor as a function of the detected fiber strand tension. The at least one sensor unit preferably works without contact in order to minimize the influence on the fiber strand tension to be detected.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die zumindest eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung der Faserstrangspannung mit einer Aufnahmeeinheit zur Auf- nähme zumindest einer Spule verbunden sein. Auf der Aufnahmeeinheit kann zumin dest eine den abzuwickelnden Faserstrang tragende Spule angeordnet sein. Bevor zugt ist die Spule kraftschlüssig mit dem Synchronmotor verbunden. Besonders be vorzugt können zwei oder mehr Spulen auf der Aufnahmeeinheit angeordnet sein, die jeweils kraftschlüssig mit dem jeweiligen antreibenden Synchronmotor verbunden sind. Dadurch lässt sich die Anzahl gleichzeitig zu fertigender faserverstärkter Bau teile entsprechend erhöhen. Die Ansteuerung der Synchronmotoren an der Aufnah meeinheit kann durch eine gemeinsame Recheneinheit erfolgen. Alternativ kann je der der Synchronmotoren durch eine separate Recheneinheit angesteuert werden. According to a preferred embodiment, the at least one device for maintaining the fiber strand tension can be provided with a receiving unit for would take at least one coil to be connected. At least one spool carrying the fiber strand to be unwound can be arranged on the receiving unit. Before given, the coil is positively connected to the synchronous motor. Particularly preferably, two or more coils can be arranged on the receiving unit, each of which is positively connected to the respective driving synchronous motor. This allows the number of fiber-reinforced components to be produced at the same time to be increased accordingly. The synchronous motors on the recording unit can be controlled by a common arithmetic unit. Alternatively, each of the synchronous motors can be controlled by a separate processing unit.
Insbesondere kann die zumindest eine Spule beabstandet zu dem zumindest einen Roboterarm angeordnet sein. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die zumindest eine räumlich zu dem Roboterarm beabstandet angeordnete Spule keine Zusatz masse bildet, die von dem Roboterarm zu tragen ist. Bei der externen Materialbevor ratung trägt der Roboterarm lediglich eine Ablageeinheit, mit welcher der Faserstrang beim Umwickeln und Ablegen auf dem Faserträger geführt wird. Mit der zumindest einen Spule ist entsprechend auch die zumindest eine Einrichtung zur Aufrechterhal tung der Faserstrangspannung mit der Aufnahmeeinheit zur Aufnahme der zumin dest einen Spule beabstandet zu dem Roboterarm angeordnet. In particular, the at least one coil can be arranged at a distance from the at least one robot arm. This arrangement has the advantage that the at least one coil that is spatially spaced apart from the robot arm does not form any additional mass that has to be carried by the robot arm. In the case of external material storage, the robot arm only carries a storage unit with which the fiber strand is guided when it is wrapped around and placed on the fiber carrier. With the at least one coil, the at least one device for maintaining the fiber strand tension is correspondingly arranged with the receiving unit for receiving the at least one coil at a distance from the robot arm.
Gemäß einer alternativen Ausführung kann die zumindest eine Spule an dem zumin dest einen Roboterarm angeordnet sein. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die freie Fadenlänge, d.h. der Abstand zwischen Spule und Faserträger, gering gehalten wird und höhere Bewegungsgeschwindigkeiten des Roboterarmes ermöglicht wer den. Hierbei werden sowohl die zumindest eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung der Faserstrangspannung als auch die zumindest eine Spule direkt am Roboterkopf, d.h. dem freien Ende des Roboterarmes, mitgeführt. According to an alternative embodiment, the at least one coil can be arranged on the at least one robot arm. This arrangement has the advantage that the free thread length, i.e. the distance between the bobbin and the fiber carrier, is kept small and the robot arm can move at higher speeds. Here, both the at least one device for maintaining the fiber strand tension and the at least one coil are carried along directly on the robot head, i.e. the free end of the robot arm.
Gemäß einerweiteren alternativen Ausführung kann die Drehachse, auf welcher der Faserträger angeordnet ist, an dem Roboterarm angeordnet sein. Gemäß dieser An ordnung ist eine externe Materialbevorratung vorgesehen, bei der neben der zumin- dest einen Spule entsprechend auch die zumindest eine Einrichtung zur Aufrechter haltung der Faserstrangspannung mit der Aufnahmeeinheit räumlich beabstandet zu dem Roboterarm angeordnet sind. According to a further alternative embodiment, the axis of rotation on which the fiber carrier is arranged can be arranged on the robot arm. According to this arrangement, an external material supply is provided, in which in addition to the at least At least one coil, accordingly, the at least one device for maintaining the fiber strand tension with the receiving unit are arranged spatially spaced from the robot arm.
Insbesondere kann zur im Wesentlichen reibungsarmen Zuführung des jeweiligen Faserstranges zumindest ein Fadenauge an dem zumindest einen Roboterarm ange ordnet sein. Dies ist bei der Zuführung des Faserstranges von Bedeutung, da es sich bei dem Faserstrang um ein vorimprägniertes fadenförmiges Halbzeug, beispiels weise ein Towpreg-Halbzeug, Yarnpreg-Halbzeug, Uni-Tape-Halbzeug oder Pre- Preg-Halbzeug, handelt. Vorimprägniertes Halbezeug kommt zum Einsatz, weil sich damit im Vergleich zum klassischen Nasswickelverfahren um bis zu einem Faktor 10 höhere Wickelgeschwindigkeiten darstellen lassen. Aufgrund der Klebrigkeit des vor imprägnierten Faserstranges und der Verwendung des dreidimensionalen Wickelver fahrens sowie der Rotation des Bauteils um eine Drehachse können gekrümmte Wi ckelbahnen außerhalb der geodätischen Linien des Bauteils erzeugt werden. In particular, at least one thread eye can be arranged on the at least one robot arm for essentially low-friction feeding of the respective fiber strand. This is important when feeding the fiber strand, since the fiber strand is a pre-impregnated thread-like semifinished product, for example a towpreg semifinished product, yarnpreg semifinished product, uni-tape semifinished product or pre-preg semifinished product. Pre-impregnated semi-finished products are used because they allow winding speeds up to a factor of 10 to be achieved compared to the classic wet winding process. Due to the stickiness of the pre-impregnated fiber strand and the use of the three-dimensional winding process as well as the rotation of the component around an axis of rotation, curved winding paths can be generated outside the geodetic lines of the component.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung können zumindest zwei Faserträger auf se paraten Drehachsen im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein. Hierfür kann ein Drehgestell vorgesehen sein, welches zumindest zwei angetriebene Dreh achsen umfasst, auf denen jeweils ein Faserträger angeordnet wird. Hierbei können mehrere parallele, gleichartig gesteuerte Drehachsen betrieben werden, an denen je weils ein Faserträger angeordnet ist und somit um seine Wickelachse rotieren kann. Alle parallelen Drehachsen rotieren synchron oder nahezu synchron, so dass mit ei nem Steuerbefehl alle Drehachsen an dem Drehgestell gleichzeitig angesprochen werden. Die Aufnahmeeinheit, welche die Spulen trägt, weist dabei zur Ansteuerung des jeweiligen Synchronmotors jeweils eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung der Faserstrangspannung auf. According to a preferred development, at least two fiber carriers can be arranged essentially parallel to one another on separate axes of rotation. For this purpose, a bogie can be provided which comprises at least two driven axes of rotation, on each of which a fiber carrier is arranged. Here, several parallel, similarly controlled rotary axes can be operated, on each of which a fiber carrier is arranged and thus can rotate about its winding axis. All parallel rotary axes rotate synchronously or almost synchronously, so that all rotary axes on the bogie are addressed simultaneously with one control command. The receiving unit, which carries the bobbins, has a device for maintaining the fiber strand tension in order to control the respective synchronous motor.
Unter der Voraussetzung, dass sich ein ruhiger Gleichlauf der Wickelachsen einstellt und der Einfluss äußerer Störungen, wie beispielsweise Geometrieabweichungen der zu fertigenden Bauteile oder gleicher Abspulzustand, d.h. Durchmesser der Spulen, etc., begrenzt wird, kann eine vereinfachte Anordnung umgesetzt werden, bei wel- eher die die Spulen tragende Aufnahmeeinheit mit nur einer Einrichtung zur Aufrecht erhaltung der Faserstrangspannung für die Spulen verwendet wird. Die Synchronmo toren können dabei von genau einer Einrichtung zur Aufrechterhaltung der Fa serstrangspannung geregelt werden. Provided that a smooth synchronization of the winding axes is established and the influence of external disturbances, such as geometrical deviations of the components to be manufactured or the same unwinding state, i.e. diameter of the bobbins, etc., is limited, a simplified arrangement can be implemented in which rather, the receiving unit carrying the bobbins is used with only one device for maintaining the fiber strand tension for the bobbins. The synchronous motors can be controlled by exactly one device for maintaining the fiber strand tension.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Vorrichtung zur Fertigung von faser verstärkten Bauteilen mit einer Kombination aus Spulenanordnung und Faserträger anordnung. So kann die Spulenanordnung derart vorgesehen sein, dass auf einer Aufnahmeeinheit mehrere Spulen matrixartig angeordnet sind, d.h. zumindest zwei Spulen in einer Reihe nebeneinander und zumindest zwei Spulen in einer Spalte un tereinander, wobei von jeweils in einer Reihe befindlichen Spulen Faserstränge pa- rallelisiert abgezogen werden. Die Faserträgeranordnung kann zumindest zwei zu umwickelnde Faserträger aufweisen, die auf zumindest zwei parallel zueinander an geordneten Drehachsen angeordnet sind. Dem jeweiligen Faserträger werden von den jeweiligen in einer Reihe angeordneten Spulen die jeweils parallelisierten Faser stränge zugeführt. Hierdurch lässt sich eine mehrdimensionale Parallelisierung des Fertigungsprozesses erreichen, durch welchen die Fertigungsgeschwindigkeit in der Dimension des Produkts von Anzahl Faserträger und Anzahl Fasersträngen erhöht werden kann. A configuration of the device for manufacturing fiber-reinforced components with a combination of a coil arrangement and a fiber carrier arrangement is particularly advantageous. The coil arrangement can be provided in such a way that several coils are arranged in a matrix-like manner on a receiving unit, ie at least two coils in a row next to one another and at least two coils in a column one below the other, with fiber strands being withdrawn in parallel from each coils in a row . The fiber carrier arrangement can have at least two fiber carriers to be wrapped, which are arranged on at least two parallel axes of rotation. The respective parallelized fiber strands are fed to the respective fiber carrier from the respective coils arranged in a row. This makes it possible to achieve a multidimensional parallelization of the manufacturing process, by means of which the manufacturing speed in the dimension of the product can be increased by the number of fiber carriers and the number of fiber strands.
Insbesondere können zwei Roboterarme einander gegenüberliegend angeordnet sein, die zur inversen Ablage jeweils zumindest eines Faserstranges auf einem zwi schen den Roboterarmen auf einer Drehachse angeordneten Faserträger eingerich tet sind. Unter inverser Ablage wird eine gleichzeitige spiegelbildliche bzw. gegensin nige Ablage eines jeweiligen Faserstranges auf dem einen auf der Drehachse ange ordneten Faserträger bezüglich der Symmetrieachse des Faserträgers verstanden. Dabei sollte die Symmetrieachse des Faserträgers mit der Drehachse zusammenfal len. Zur Effizienzsteigerung können die beiden, einander gegenüberliegend angeord neten, Roboterarme zur inversen Ablage von jeweils zwei oder mehr Fasersträngen auf dem zwischen den Roboterarmen auf der Drehachse angeordneten Faserträger eingerichtet sein. Weiterhin ist es denkbar, dass zwei Faserträger auf einer gemeinsamen Drehachse nebeneinander angeordnet sein können. Hierbei können auf zwei zwischen den Ro boterarmen auf einer Drehachse angeordneten Faserträgern verteilt zumindest je weils zwei parallelisierte Faserstränge abgelegt werden. In particular, two robot arms can be arranged opposite one another, which are set up for the inverse storage of at least one fiber strand on a fiber carrier arranged between the robot arms on an axis of rotation. Inverse storage is understood to mean a simultaneous mirror image or opposite storage of a respective fiber strand on the one on the axis of rotation arranged fiber carrier with respect to the axis of symmetry of the fiber carrier. The axis of symmetry of the fiber carrier should coincide with the axis of rotation. To increase efficiency, the two robot arms, arranged opposite one another, can be set up for the inverse storage of two or more fiber strands on the fiber carrier arranged between the robot arms on the axis of rotation. Furthermore, it is conceivable that two fiber carriers can be arranged next to one another on a common axis of rotation. Here, at least two parallelized fiber strands can be deposited on two fiber carriers arranged between the robot arms on an axis of rotation, distributed at least in each case.
Weiterhin wird die Eingangs gestellte Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkma len des Anspruchs 13 gelöst. Furthermore, the object set at the beginning is achieved by a method having the features of claim 13.
Gemäß dem Anspruch 13 wird ein Verfahren zum Erzeugen von Wickelmustern auf einem Faserträger mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, vorge schlagen, bei dem mit der Vorrichtung ein geradzahliges Vielfaches parallelisierter Faserstränge, mindestens jedoch zwei Faserstränge, auf zumindest einen Faserträ ger aufgewickelt werden. According to claim 13, a method for generating winding patterns on a fiber carrier with a device according to one of claims 1 to 12 is proposed, in which the device is used to wind an even multiple of parallelized fiber strands, but at least two fiber strands, onto at least one fiber carrier become.
Dazu kann vorgesehen sein, dass eine vorgebbare Faserstrangspannung während des Wickelprozesses unabhängig von der Faserzuführrichtung eines Faserstranges zwischen Spule und Faserträger aufrechterhalten wird. Mittels der Einrichtung zur Aufrechterhaltung der Faserstrangspannung kann sowohl bei einem Abspulen, d.h. dem Zuführen des jeweiligen Faserstranges, als auch einem Zurückspulen, d.h. dem Wiederaufwickeln eines überschüssig abgezogenen Faserstranges, die vorgebbare Faserstrangspannung des jeweiligen Faserstranges aufrechterhalten werden. Hierfür kann die zumindest eine Einrichtung zumindest einen elektronisch geregelten Syn chronmotor umfassen, welcher eine Spule antreibt, von der der Faserstrang abgezo gen wird. Zur Ansteuerung des zumindest einen Synchronmotors wird mittels einer Sensoreinheit die Faserstrangspannung detektiert und von einer Recheneinheit der zumindest einen Einrichtung ausgewertet, um in Abhängigkeit von der Faserstrang spannung den Synchronmotor anzusteuern. For this purpose, it can be provided that a predeterminable fiber strand tension is maintained during the winding process, regardless of the fiber feed direction of a fiber strand between the bobbin and the fiber carrier. By means of the device for maintaining the fiber strand tension, the specifiable fiber strand tension of the respective fiber strand can be maintained both during unwinding, i.e. feeding the respective fiber strand, and rewinding, i.e. rewinding an excessively withdrawn fiber strand. For this purpose, the at least one device can comprise at least one electronically controlled synchronous motor which drives a spool from which the fiber strand is drawn off. To control the at least one synchronous motor, the fiber strand tension is detected by means of a sensor unit and evaluated by a computing unit of the at least one device in order to control the synchronous motor as a function of the fiber strand tension.
Insbesondere können zwei Rotationsachsen des zumindest einen mehrere Rotati onsachsen aufweisenden Roboterarms bei einer parallelisierten Ablage von Faser strängen verteilt auf parallel zueinander angeordneten Faserträgern derart angesteu ert werden, dass diese während des gesamten Wickelprozesses mit einem konstan ten Winkel betrieben werden. Hierbei werden von auf einer Aufnahmeeinheit parallel zueinander angeordneten Spulen zwei oder mehr Faserstränge abgezogen, mit de nen die parallel zueinander angeordneten Faserträger umwickelt werden. Um zu ge währleisten, dass alle abgezogenen Faserstränge jeweils exakt parallel laufen, die gleiche Länge bzw. den gleichen Abstand zwischen dem Faserträger und der jeweili gen Spule aufweisen und am gleichen Punkt der Faserträger ankommen, wird die Ki nematik des Roboterarms eingeschränkt. Insbesondere weist der zumindest eine Ro boterarm sechs Rotationsachsen auf. In particular, two axes of rotation of the at least one robot arm having several axes of rotation can be controlled in such a way that they are operated at a constant angle during the entire winding process when fiber strands are deposited in parallel, distributed on fiber carriers arranged parallel to one another. In this case, from on a recording unit are parallel two or more fiber strands are withdrawn from the coils arranged in relation to one another, with which the fiber carriers arranged parallel to one another are wrapped. The kinematics of the robot arm is restricted in order to ensure that all removed fiber strands run exactly parallel, have the same length or the same distance between the fiber carrier and the respective coil and arrive at the same point of the fiber carrier. In particular, the at least one robot arm has six axes of rotation.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfah rens lassen sich insbesondere faserverstärkte Bauteile für Fahrwerke von Fahrzeu gen fertigen. Insbesondere Bauteile mit klarem, möglichst konstanten Lastfluss las sen sich durch die Vorrichtung bzw. das Verfahren fertigen, bei denen sich der Last fluss auf wenige dominante Lastrichtungen beschränkt. Beispielsweise sind alle Ar ten von Mehrpunktlenkern, Zweipunktlenker, Dreipunktlenker, Vierpunktlenker oder Fünfpunktlenker, mit diesem Verfahren darstellbar. Es entstehen Funktionsbauteile von geringster Masse mit gleichzeitig hohen Festigkeits- und Steifigkeitswerten. By means of the device according to the invention and the method according to the invention, in particular fiber-reinforced components for chassis of Fahrzeu conditions can be manufactured. In particular, components with a clear load flow that is as constant as possible can be manufactured using the device or the method, in which the load flow is limited to a few dominant load directions. For example, all types of multi-point links, two-point links, three-point links, four-point links or five-point links can be represented with this method. Functional components of the smallest mass with simultaneously high strength and stiffness values are created.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung, die nachfolgend erläutert werden, sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt: Advantageous embodiments of the invention, which are explained below, are shown in the drawings. It shows:
Fig. 1a - 1e schematische Ansichten von als Mehrpunktlenker ausgeführten faser verstärkten Bauteilen; 1a-1e are schematic views of fiber-reinforced components designed as multi-point links;
Fig. 2 schematisch eine Vorrichtung zur Fertigung von faserverstärkten Bauteilen nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren; 2 schematically shows a device for the production of fiber-reinforced components according to a three-dimensional winding process;
Fig. 3 schematisch eine Vorrichtung nach Fig. 2 gemäß einer weiteren Ausfüh rungsform; 3 schematically shows a device according to FIG. 2 according to a further embodiment;
Fig. 4 schematisch eine Vorrichtung nach Fig. 2 gemäß einer dritten Ausfüh rungsform; Fig. 5 schematisch eine Vorrichtung zur parallelisierten Ablage zweier Faser stränge auf zwei Faserträgern; FIG. 4 schematically shows a device according to FIG. 2 according to a third embodiment; Fig. 5 schematically shows a device for parallelized storage of two fiber strands on two fiber carriers;
Fig. 6 schematisch eine Weiterbildung der Vorrichtung gemäß Fig. 5; 6 schematically shows a further development of the device according to FIG. 5;
Fig. 7 schematisch eine Vorrichtung zur parallelisierten Ablage zweier Faser stränge auf einem Faserträger; und Fig. 7 schematically shows a device for parallelized storage of two fiber strands on a fiber carrier; and
Fig. 8 schematisch eine Vorrichtung zur parallelisierten Ablage zweier Faser stränge auf einem Faserträger gemäß einerweiteren Ausführungsform. Fig. 8 schematically shows a device for parallelized depositing of two fiber strands on a fiber carrier according to a further embodiment.
Nachfolgend werden für identische oder funktionsgleiche Bauteile oder Komponen ten die gleichen Bezugszeichen verwendet. The same reference numerals are used below for identical or functionally identical components or components.
In den Fig. 1a bis 1e sind schematische Ansichten von als Mehrpunktlenker ausge führten faserverstärkten Bauteilen 1 dargestellt. So zeigt Fig. 1a ein als Zweipunkt lenker ausgeführtes Fahrwerkstrukturbauteil 1. Das Fahrwerkstrukturbauteil 1 um fasst einen Körper 2, der zumindest zwei Lasteinleitungsbereiche 4 aufweist, die durch eine Verbindungsstruktur 3 miteinander verbunden sind. Die Verbindungsstruk tur 3 des Körpers 2 kann insbesondere als Hohlprofil ausgeführt sein. Der Körper 2 bestimmt im Wesentlichen die Grundform des Fahrzeugstrukturbauteils 1 . In den Fig. 1 b und 1c sind beispielhaft zwei Varianten eines als Dreipunktlenkers ausgeführten Fahrwerkstrukturbauteils 1 dargestellt. In den Fig. 1d und 1e ist beispielhaft ein als Vierpunktlenker bzw. ein als Fünfpunktlenker ausgeführtes Fahrwerkstrukturbauteil 1 dargestellt. Als Mehrpunktlenker ausgeführte Fahrwerkstrukturbauteile 1 können ki nematische Punkte in einem Fahrwerk und/oder in einer Radaufhängung verbinden und Bewegungen und/oder Kräfte übertragen. Hierbei kann die Verbindung des Mehrpunktlenkers mit weiteren Bestandteilen des Fahrwerks mittels Gelenken reali siert sein, die in den Lasteinleitungsbereichen 4 angeordnet sind. Diese Bauteile 1 weisen aufgrund der Symmetrie ihrer Gestalt sowie der Anordnung der Lasteinlei tungsbereiche 4 einen eindeutigen, im Wesentlichen konstanten Lastfluss auf, der sich auf wenige dominante Lastrichtungen beschränkt. Die Fertigung solcher Bauteile I als faserverstärkte Bauteile mittels eines dreidimensionalen Wickelverfahrens er möglicht es, Funktionsbauteile von geringster Masse mit gleichzeitig hohen Festig- keits- und Steifigkeitswerten herzustellen. In Figs. 1a to 1e, schematic views of fiber-reinforced components 1 out as multi-point links are shown. 1a shows a chassis structural component 1 designed as a two-point link. The chassis structural component 1 comprises a body 2 which has at least two load application regions 4 which are connected to one another by a connecting structure 3. The connection structure 3 of the body 2 can in particular be designed as a hollow profile. The body 2 essentially determines the basic shape of the vehicle structural component 1. In FIGS. 1 b and 1 c, two variants of a chassis structural component 1 designed as a three-point link are shown by way of example. In FIGS. 1d and 1e, a chassis structural component 1 designed as a four-point link or a five-point link is shown by way of example. Chassis structural components 1 designed as multi-point control arms can connect kinematic points in a chassis and / or in a wheel suspension and transmit movements and / or forces. Here, the connection of the multi-point link with other components of the chassis can be realized by means of joints that are arranged in the load application areas 4. Due to the symmetry of their shape and the arrangement of the load introduction areas 4, these components 1 have a clear, essentially constant load flow that is limited to a few dominant load directions. The manufacture of such components As fiber-reinforced components using a three-dimensional winding process, it is possible to manufacture functional components of the smallest mass with high strength and rigidity values at the same time.
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen einer Vorrichtung 10 zur Fer tigung von solchen faserverstärkten Bauteilen 1 nach einem dreidimensionalen Wi ckelverfahren sowie ein Verfahren zum Erzeugen von Wickelmustern auf einem Fa serträger 11 mit einer solchen Vorrichtung 10 beschrieben. Various embodiments of a device 10 for manufacturing such fiber-reinforced components 1 according to a three-dimensional winding method and a method for generating winding patterns on a fiber carrier 11 with such a device 10 are described below.
In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung 10 zur Fertigung von faserverstärkten Bau teilen 1 nach einem dreidimensionalen Wickelverfahren dargestellt. Der FaserträgerIn Fig. 1, a device 10 for the manufacture of fiber-reinforced construction parts 1 is shown schematically according to a three-dimensional winding process. The fiber carrier
I I bildet ein Kernelement des Bauteils 1 , wobei der Faserträger 11 aus einem Schaummaterial besteht, der mit zumindest einem fadenförmigen Endlosfaserstrang 12, nachfolgend als Faserstrang bezeichnet, aus einem Faserkunststoffverbundma terial umwickelt wird. Der Faserträger 11 gibt dabei die im Wesentlichen die Kontur des herzu stellen den Bauteils vor, ohne jedoch eine tragende Funktion auszuüben.I I forms a core element of the component 1, wherein the fiber carrier 11 consists of a foam material, which is wrapped with at least one thread-like continuous fiber strand 12, hereinafter referred to as fiber strand, made of a fiber plastic composite material. The fiber carrier 11 essentially provides the contour of the component to be manufactured, but without exercising a load-bearing function.
Die Darstellung zeigt den Faserträger 11 mit daran bereits angeordneten Gelenkele menten in den Lasteinleitungsbereichen 4. Das Ablegen erfolgt in der Form von ei nem oder mehreren unterschiedlichen Wickelmustern, wobei jedem Wickelmustert eine bestimmte Aufgabe zugeordnet, eine oder mehrere mechanische Eigenschaften des Bauteils 1 zu beeinflussen. The illustration shows the fiber carrier 11 with articulated elements already arranged on it in the load application areas 4. The depositing takes place in the form of one or more different winding patterns, each winding pattern being assigned a specific task of influencing one or more mechanical properties of the component 1.
Die Vorrichtung 10 umfasst zumindest eine rechnergesteuerte Wickelmaschine, die als ein sechs Rotationsachsen aufweisender Roboterarm 13 ausgeführt ist. Zur An steuerung des zumindest einen Roboterarmes 13 ist eine Steuereinheit 14 vorgese hen, die durch eine Signalleitung oder ein Bussystem 15 mit dem Roboterarm 13 kommuniziert. Auf einer angetriebenen Drehachse 16 eines Drehgestells 17 ist der Faserträger 11 angeordnet, auf den der zumindest eine Faserstrang 12 mit zumin dest einem durch die Steuereinheit 14 vorgebbaren Wickelmuster aufgewickelt wird. Der Antrieb der Drehachse 16 kann ebenfalls von der Steuereinheit 14 über das Bus system 15 angesteuert werden. Die Drehachse 16 des Drehgestells bildet eine siebte Rotationsachse der Vorrichtung 10. Der zumindest eine Faserstrang 12 wird auf zu mindest einer Spule 18 bereitgestellt. Die Spule 18 ist räumlich beabstandet zu dem Roboterarm 13 angeordnet. The device 10 comprises at least one computer-controlled winding machine which is designed as a robot arm 13 having six axes of rotation. To control the at least one robot arm 13, a control unit 14 is provided, which communicates with the robot arm 13 via a signal line or a bus system 15. The fiber carrier 11 is arranged on a driven axis of rotation 16 of a bogie 17, onto which the at least one fiber strand 12 is wound with at least one winding pattern that can be predetermined by the control unit 14. The drive of the axis of rotation 16 can also be controlled by the control unit 14 via the bus system 15. The axis of rotation 16 of the bogie forms a seventh The axis of rotation of the device 10. The at least one fiber strand 12 is provided on at least one spool 18. The coil 18 is arranged at a spatial distance from the robot arm 13.
Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin zumindest eine Einrichtung 19 zur Aufrechter haltung einer vorgebbaren Faserstrangspannung. Die jeweilige Einrichtung 19 um fasst einen Antriebsmotor, eine Recheneinheit 21 sowie zumindest eine Sensorein heit 22 zur Detektion der Faserstrangspannung. Die Spule 18 ist drehfest auf einer Achse 23 angeordnet, die von dem Antriebsmotor angetrieben wird, der als elektro nisch geregelter Synchronmotor 20 ausgeführt ist. Der von der Spule 18 abgezogene Faserstrang 12 wird im Wesentlichen reibungsfrei den an dem Roboterarm 13 ange ordneten Fadenaugen 24 dem Faserträger 11 zugeführt. Zur Überwachung der Fa serstrangspannung ist zumindest eine Sensoreinheit 22 entlang des freien Weges des zumindest einen Faserstrangs 12 zwischen dem Abspulpunkt auf der Spule 18 und dem Ablagepunkt auf dem Faserträger 11. The device 10 further comprises at least one device 19 for maintaining a predeterminable fiber strand tension. The respective device 19 comprises a drive motor, a computing unit 21 and at least one sensor unit 22 for detecting the fiber strand tension. The coil 18 is non-rotatably arranged on an axis 23 which is driven by the drive motor, which is designed as an electronically controlled synchronous motor 20. The fiber strand 12 withdrawn from the bobbin 18 is fed to the fiber carrier 11 essentially without friction to the thread eyes 24 arranged on the robot arm 13. To monitor the fiber strand tension, there is at least one sensor unit 22 along the free path of the at least one fiber strand 12 between the unwinding point on the bobbin 18 and the point of deposit on the fiber carrier 11.
Die Recheneinheit 21 ist zur Auswertung der Signale der zumindest einen Sensorein heit 22 sowie zur Ansteuerung des zumindest einen Synchronmotors 20 in Abhängig keit von der detektierten Faserstrangspannung eingerichtet. Die Ansteuerung des zu mindest einen Synchronmotors 20 durch die Recheneinheit 21 ermöglicht die Auf rechterhaltung der vorgebbaren Faserstrangspannung. Dies ist notwendig, um eine durch die Bewegung des Roboterarmes 13 hervorgerufene Längung oder Verkür zung des Faserstrangs 12 zu vermeiden. Hierfür kann die Steuereinheit 14 des Ro boterarmes 13 mit der Recheneinheit 21 durch das Bussystem 15 verbunden sein, um das Bewegungsprofil des sechs Rotationsachsen aufweisenden Roboterarms 13 an die Recheneinheit 21 zu übertragen. Damit kann die Präzision, mit der die Fa serstrangspannung durch die Ansteuerung des Synchronmotors 20 aufrechterhalten wird, erhöht werden. Die von dem Synchronmotor 20 angetriebene Spule 18 lässt sich derart betreiben, dass wechselweise ein Abspulen sowie ein Zurückspulen des Faserstranges 12 durch eine Drehrichtungsänderung möglich ist. Die Darstellung in Fig. 3 zeigt schematisch die Vorrichtung 10 nach Fig. 2 gemäß ei ner weiteren Ausführungsform. Diese Ausführungsform der Vorrichtung 10 unter scheidet sich von der zuvor beschriebenen durch die abweichende Positionierung der zumindest einen Spule 18 und der Einrichtung 19 zur Aufrechterhaltung der vor- gebbaren Faserstrangspannung des zumindest einen Faserstranges 12. Die Spule 18 und die Einrichtung 19 sind am Kopf 25 des Roboterarms 13 angeordnet und wer den von diesem mitgeführt. Der Vorteil dieser Anordnung besteht in der kürzeren freien Weglänge des Faserstranges 12, wodurch die Ansteuerung des Synchronmo tors 20 vereinfacht wird. Zudem lässt sich dadurch die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboterarmes 13 erhöhen. The computing unit 21 is set up to evaluate the signals of the at least one sensor unit 22 and to control the at least one synchronous motor 20 as a function of the detected fiber strand tension. The activation of the at least one synchronous motor 20 by the arithmetic unit 21 enables the predeterminable fiber strand tension to be maintained. This is necessary in order to avoid a lengthening or shortening of the fiber strand 12 caused by the movement of the robot arm 13. For this purpose, the control unit 14 of the robot arm 13 can be connected to the processing unit 21 by the bus system 15 in order to transmit the movement profile of the robot arm 13, which has six axes of rotation, to the processing unit 21. In this way, the precision with which the fiber strand tension is maintained by controlling the synchronous motor 20 can be increased. The spool 18 driven by the synchronous motor 20 can be operated in such a way that alternating unwinding and rewinding of the fiber strand 12 is possible by changing the direction of rotation. The illustration in FIG. 3 shows schematically the device 10 according to FIG. 2 according to a further embodiment. This embodiment of the device 10 differs from the one previously described by the different positioning of the at least one coil 18 and the device 19 for maintaining the predeterminable fiber strand tension of the at least one fiber strand 12. The coil 18 and the device 19 are on the head 25 of the Robot arm 13 arranged and who the carried along by this. The advantage of this arrangement is the shorter free path length of the fiber strand 12, whereby the control of the synchronous motor 20 is simplified. In addition, the speed of movement of the robot arm 13 can thereby be increased.
In Fig. 4 ist schematisch die Vorrichtung 10 nach Fig. 2 gemäß einer dritten Ausfüh rungsform dargestellt. Hierbei ist im Unterschied zu den vorangehend beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung 10 die Drehachse 16, auf welcher der zumindest eine Faserträger 12 drehbar angeordnet ist, am Kopf 25 des Roboterarmes 13 ange ordnet. Die Spule 18 sowie die Einrichtung 19 zur Aufrechterhaltung der Faserstrang spannung sind räumlich beabstandet zu dem Roboterarm 13 angeordnet. In Fig. 4, the device 10 of FIG. 2 according to a third Ausfüh is shown approximately approximately. In contrast to the previously described embodiments of the device 10, the axis of rotation 16, on which the at least one fiber carrier 12 is rotatably arranged, is arranged on the head 25 of the robot arm 13. The coil 18 and the device 19 for maintaining the tension of the fiber strand are arranged at a spatial distance from the robot arm 13.
Während bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 2 und 3 der zumindest eine Faserstrang 12 durch den Roboterarm 13 geführt wird und der zumindest eine zu umwickelnde Faserträger 11 auf zumindest einer angetriebenen Drehachse 16 des Drehgestells angeordnet ist, wird der Faserträger 11 gemäß dieser dritten in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform von dem Roboterarm 13 geführt. While in the embodiments according to FIGS. 2 and 3 the at least one fiber strand 12 is guided through the robot arm 13 and the at least one fiber carrier 11 to be wrapped is arranged on at least one driven axis of rotation 16 of the bogie, the fiber carrier 11 is shown according to this third in FIG 4 guided by the robot arm 13.
Fig. 5 stellt schematisch die Vorrichtung 10 zur parallelisierten Ablage zweier Faser stränge 12 auf zwei Faserträgern 11 dar. Durch eine M-fach parallelisierte Fa serstrangablage auf mehreren parallel ausgerichteten Faserträgern 11 wird eine Effi zienzsteigerung des Verfahrens zum Erzeugen von Wickelmustern auf den Faserträ gern 11 und damit der Fertigung der Bauteile 1 erreicht. Dabei basiert die Vorrichtung 10 auf der anhand der Fig. 3 beschriebenen Ausführungsform. An dem Kopf 25 des Roboterarmes 13 ist eine Aufnahmeeinheit 26 zur Aufnahme von zwei oder mehr Spulen 18 vertikal übereinander angeordnet. Dabei sind entsprechend der Anzahl der Spulen 18 zwei oder mehr Einrichtungen 19 zur Aufrechterhaltung der Fa serstrangspannung, wie sie weiter oben bereits beschrieben wurden, mit der Aufnah meeinheit 26 verbunden. Jede Einrichtung 19 dient dazu, die Faserstrangspannung des jeweiligen von einer Spule 18 abgezogenen Faserstrangs 12 aufrechtzuerhalten. Das Drehgestell 17 umfasst entsprechend der Anzahl der spaltenförmig übereinan der angeordneten Spulen 18 zwei oder mehr angetriebene Drehachsen 16, auf de nen jeweils ein Faserträger 11 angeordnet ist. Dabei steuert die Steuereinheit 14 die Antriebe der Drehachsen 16, welche die siebte Rotationsachse der Vorrichtung 10 bilden, in der Weise an, dass die zueinander parallelen Drehachsen 16 des Drehge stells gleichartig betrieben werden. Die Recheneinheiten 21 der Einrichtungen 19 steuern die die Achsen 23 antreibenden Synchronmotoren 20 in der Weise an, dass der Faserstrangzuführvorgang von den parallel von der Aufnahmeeinheit 26 aufge nommenen Spulen 18 ebenfalls gleichartig verläuft. Bevorzugt können alle zueinan der parallel orientierten Drehachsen 16 bzw. Achsen 23 synchron rotieren, so dass mit einem Steuerbefehl alle Drehachsen 16 bzw. Achsen 23 gleichzeitig angespro chen werden können. Fig. 5 shows schematically the device 10 for the parallelized storage of two fiber strands 12 on two fiber carriers 11. An M-fold parallelized fiber strand storage on several parallel fiber carriers 11 increases the efficiency of the method for generating winding patterns on the fiber carriers 11 and thus the production of the components 1 is achieved. The device 10 is based on the embodiment described with reference to FIG. 3. A receiving unit 26 for receiving two or more coils 18 is arranged vertically one above the other on the head 25 of the robot arm 13. Thereby are according to the number of the coils 18, two or more devices 19 for maintaining the fiber strand tension, as already described above, are connected to the receiving unit 26. Each device 19 serves to maintain the fiber strand tension of the respective fiber strand 12 drawn from a spool 18. The bogie 17 comprises two or more driven axes of rotation 16, corresponding to the number of columns arranged above the reels 18, on each of which a fiber carrier 11 is arranged. The control unit 14 controls the drives of the axes of rotation 16, which form the seventh axis of rotation of the device 10, in such a way that the mutually parallel axes of rotation 16 of the rotary frame are operated in the same way. The computing units 21 of the devices 19 control the synchronous motors 20 driving the axles 23 in such a way that the fiber strand feed process from the coils 18 picked up in parallel by the receiving unit 26 also proceeds in the same way. Preferably, all axes of rotation 16 or axes 23 oriented in parallel can rotate synchronously so that all axes of rotation 16 or axes 23 can be addressed simultaneously with one control command.
Die Darstellung in Fig. 6 zeigt schematisch eine Weiterbildung der Vorrichtung 10 ge mäß Fig. 5. Dabei kann eine Vereinfachung des Aufbaus der Vorrichtung 10 erreicht werden, wenn bei der Faserstrangzuführung durch eine geeignete Ansteuerung ein ruhiger Gleichlauf der Drehachsen 16 erzeugt werden kann. Zudem sollte bei der Re alisierung dieser Weiterbildung der Vorrichtung 10 eine Begrenzung des Einflusses durch äußere Störungen, wie beispielsweise Geometrieabweichungen, im Wesentli chen gleicher Abspulzustand, d.h. im Wesentlichen gleicher Durchmesser der Spulen 18, und dergleichen, erreicht werden. Unter Berücksichtigung zumindest einer dieser Voraussetzungen kann eine vereinfachte Ausgestaltung der Vorrichtung 10 darin be stehen, dass diese mit nur einer Einrichtung 19 jedoch zwei oder mehr Synchronmo toren 20 zum Antreiben der Spulen 18 betrieben werden kann. The illustration in FIG. 6 schematically shows a further development of the device 10 according to FIG. In addition, the implementation of this development of the device 10 should limit the influence of external disturbances, such as geometrical deviations, essentially the same unwinding state, i.e. essentially the same diameter of the bobbins 18, and the like. Taking into account at least one of these prerequisites, a simplified embodiment of the device 10 can be that it can be operated with only one device 19 but two or more synchronous motors 20 for driving the coils 18.
Mit den in den Fig. 5 und 6 dargestellten Vorrichtungen 10 ist es möglich, eine paral lele Fertigung mehrerer Bauteile 1 der Anzahl M mit nur einem Roboterarm 13 in der gleichen Gesamtfertigungszeit durchzuführen. Die Fertigungszeit pro Bauteil 1 kann auf den M-ten Teil der Gesamtzeit reduziert werden. Fig. 7 zeigt schematisch die Vorrichtung 10 in einer Ausführungsform, die zur paralle- lisierten Ablage zweier Faserstränge 12 auf einem einzelnen Faserträger 11 einge richtet ist. Die Aufnahmeeinheit 26 trägt zumindest zwei in einer horizontalen Reihe nebeneinander angeordnete Spulen 18. Dabei erfolgt die Ablage der Faserstränge 12 entsprechend des jeweils zu erzeugenden Wickelmusters auf nahezu parallelen Ablagebahnen, d.h. mit geringem räumlichen Versatz der einzelnen Faserstränge 12. Das gesamte Bauteil 1 setzt sich üblicherweise aus verschiedenen Wickelmustern zusammen, welche wiederum aus mehreren parallelen Faserstrangbahnen (Wi ckelorbits) aufgebaut sind. Damit eignet sich das grundlegende Konstruktionsprinzip dieser dreidimensionalen gewickelten Bauteile 1 sehr gut für eine Parallelisierung der Faserstränge 12. Hierbei können zwei oder mehr Faserstränge 12 von einer korres pondierenden Anzahl von Einrichtungen 19 zur Aufrechterhaltung der Faserstrang spannung mit geringem räumlichen Abstand parallel auf einem einzelnen Fadenträ ger 11 abgelegt werden. Damit kann ein jeweiliges Wickelmuster mit x parallelen Fa sersträngen 12 durch x/N Wickelorbits dargestellt werden. With the devices 10 shown in FIGS. 5 and 6, it is possible to carry out a paral lele production of several components 1 of the number M with only one robot arm 13 in the same total production time. The production time per component 1 can be reduced to the Mth part of the total time. FIG. 7 schematically shows the device 10 in an embodiment which is set up for parallel storage of two fiber strands 12 on a single fiber carrier 11. The receiving unit 26 carries at least two coils 18 arranged next to one another in a horizontal row. The filing of the fiber strands 12 takes place in accordance with the respective winding pattern to be generated on almost parallel filing tracks, ie with a slight spatial offset of the individual fiber strands 12. The entire component 1 usually settles from different winding patterns, which in turn are made up of several parallel fiber tows (winding orbits). The basic construction principle of these three-dimensional wound components 1 is therefore very well suited for parallelization of the fiber strands 12. Two or more fiber strands 12 from a corresponding number of devices 19 for maintaining the fiber strand tension with a small spatial distance can be parallel on a single Fadenträ ger 11 can be stored. A respective winding pattern with x parallel fiber strands 12 can thus be represented by x / N winding orbits.
Insbesondere lässt sich durch eine Kombination der in den Fig. 5 bzw. 6 dargestell ten Ausführungsformen mit der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform eine mehrdi mensionale Parallelisierung des Fertigungsprozesses erreichen, durch welchen die Fertigungsgeschwindigkeit in der Dimension des Produkts von Anzahl Faserträger 11 und Anzahl Fasersträngen 12 erhöht werden kann. In particular, by combining the embodiments shown in FIGS. 5 and 6 with the embodiment shown in FIG. 7, a multidimensional parallelization of the manufacturing process can be achieved through which the manufacturing speed in the dimension of the product of the number of fiber carriers 11 and the number of fiber strands 12 can be increased.
Fig. 8 stellt schematisch eine Vorrichtung 10 zur parallelisierten Ablage zweier Faser stränge 12 auf einem einzelnen Faserträger 11 gemäß einer weiteren Ausführungs form dar. Dabei sind zwei Roboterarme 13 vorgesehen, welche gleichzeitig zumin dest einen Faserstrang 12 auf den einen an dem Drehgestell 17 angeordneten Fa serträger 11 aufwickeln. Die zwei Roboterarme 13 sind einander gegenüberliegend angeordnet, so dass sich das Drehgestell 17 zwischen diesen befindet. Die Steuer einheit 14 ist dazu eingerichtet, die beiden Roboterarme 13 zur inversen Ablage je weils zumindest eines Faserstranges 12 auf dem zwischen den Roboterarmen 13 auf der Drehachse 16 angeordneten Faserträger 11 anzusteuern. Unter inverser Ablage auf dem Faserträger 11 wird eine gleichzeitige spiegelbildliche bzw. gegensinnige Ablage eines jeweiligen Faserstranges 12 auf dem einen auf der Drehachse 16 an geordneten Faserträger 11 bezüglich seiner Symmetrieachse verstanden. So wird im dargestellten Ausführungsbeispiel der Faserträger 11 für ein als Vierpunktlenker aus geführtes Bauteil 1 umwickelt. Dabei werden beispielsweise jeweils zwei einander gegenüberliegende Lasteinleitungsbereiche 4 gleichzeitig umwickelt. Entsprechen des gilt auch für den Körper 2 des Bauteils 1 . Diese Ausführungsform lässt sich ebenfalls weiterbilden, indem an den Köpfen 25 der Roboterarme 13 jeweils eine Aufnahmeeinheit 26 zur Aufnahme von zwei oder mehr Spulen 18 angeordnet wird. Die Ablage der zwei oder mehr Faserstränge 12 durch den jeweiligen Roboterarm 13 erfolgt dabei jeweils parallelisiert, wie es bespielhaft anhand der Ausführungsform gemäß Fig. 7 beschreiben wurde. Fig. 8 schematically shows a device 10 for parallelized storage of two fiber strands 12 on a single fiber carrier 11 according to a further embodiment Wind up carrier 11. The two robot arms 13 are arranged opposite one another, so that the bogie 17 is located between them. The control unit 14 is set up to control the two robot arms 13 for inverse storage in each case at least one fiber strand 12 on the fiber carrier 11 arranged between the robot arms 13 on the axis of rotation 16. When placed inversely on the fiber carrier 11, a simultaneous mirror image or opposite direction Deposition of a respective fiber strand 12 on the one on the axis of rotation 16 to understand fiber carrier 11 with respect to its axis of symmetry. Thus, in the illustrated embodiment, the fiber carrier 11 is wrapped around a component 1 designed as a four-point link. For example, two opposing load application areas 4 are wrapped around at the same time. The same applies to the body 2 of the component 1. This embodiment can also be developed further in that a receiving unit 26 for receiving two or more coils 18 is arranged on each of the heads 25 of the robot arms 13. The deposition of the two or more fiber strands 12 by the respective robot arm 13 takes place in parallel, as has been described by way of example with reference to the embodiment according to FIG. 7.
Bezuqszeichen Bauteil Körper Verbindungsstruktur Lasteinleitungsbereich Vorrichtung Faserträger Faserstrang Roboterarm Steuereinheit Bussystem Drehachse Drehgestell Spule Einrichtung zur Aufrechterhaltung der Faserstrangspannung Synchronmotor Recheneinheit Sensoreinheit Achse Fadenauge Kopf von 13 Aufnahmeeinheit Bezuqszeichen component body connection structure load introduction area device fiber carrier fiber strand robot arm control unit bus system rotating axis bogie coil device for maintaining the fiber strand tension synchronous motor computing unit sensor unit axis thread eye head of 13 receiving unit

Claims

Patentansprüche Claims
1. Vorrichtung (10) zur Fertigung von faserverstärkten Bauteilen (1 ) nach einem drei dimensionalen Wickelverfahren, umfassend zumindest eine rechnergesteuerte Wi ckelmaschine zur Umwicklung zumindest eines auf einer Drehachse (16) angeordne ten Faserträgers (11 ) mit auf zumindest einer Spule (18) bereitgestellten fadenförmi gen Endlosfasersträngen (12) mit zumindest einem Wickelmuster, dadurch gekenn zeichnet, dass die zumindest eine Wickelmaschine als ein mehrere Rotationsachsen aufweisender Roboterarm (13) ausgeführt ist, der zumindest zwei Faserstränge (12) gleichzeitig ablegt, wobei der zumindest eine Roboterarm (13) zur gleichzeitigen Ab lage der zumindest zwei Faserstränge (12) verteilt auf mindestens zwei auf jeweils einer separaten Drehachse (16) angeordneten Faserträger (11 ) und/oder zur gleich zeitigen Ablage der zumindest zwei Faserstränge (12) auf nur einem auf einer sepa raten Drehachse (16) angeordneten Faserträger (1) eingerichtet ist. 1. Device (10) for the production of fiber-reinforced components (1) according to a three-dimensional winding process, comprising at least one computer-controlled winding machine for winding at least one fiber carrier (11) arranged on an axis of rotation (16) with at least one spool (18) provided filamentary continuous fiber strands (12) with at least one winding pattern, characterized in that the at least one winding machine is designed as a robot arm (13) having multiple axes of rotation, which deposits at least two fiber strands (12) at the same time, the at least one robot arm (13 ) for the simultaneous storage of the at least two fiber strands (12) distributed on at least two fiber carriers (11) each arranged on a separate axis of rotation (16) and / or for the simultaneous storage of the at least two fiber strands (12) on only one on a separate rate Axis of rotation (16) arranged fiber carrier (1) is set up.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) zumindest eine Einrichtung ( 19) zur Aufrechterhaltung einer vorgebbaren Fa serstrangspannung unabhängig von der Zuführrichtung des jeweiligen Faserstranges (12) zwischen Spule (18) und Faserträger (11) aufweist. 2. Device (10) according to claim 1, characterized in that the device (10) has at least one device (19) for maintaining a predeterminable fiber strand tension regardless of the feed direction of the respective fiber strand (12) between the bobbin (18) and fiber carrier (11) ) having.
3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Einrichtung (19) zumindest einen elektronisch geregelten Synchronmotor (20) umfasst, welcher die Spule (18) antreibt. 3. Device (10) according to claim 2, characterized in that the at least one device (19) comprises at least one electronically controlled synchronous motor (20) which drives the coil (18).
4. Vorrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu mindest eine Einrichtung (19) zumindest eine Sensoreinheit (22) zur Detektion der Faserstrangspannung und zumindest eine Recheneinheit (21 ) zur Ansteuerung des zumindest einen Synchronmotors (20) in Abhängigkeit von der detektierten Fa serstrangspannung umfasst. 4. Device (10) according to claim 2 or 3, characterized in that the at least one device (19) has at least one sensor unit (22) for detecting the fiber strand tension and at least one computing unit (21) for controlling the at least one synchronous motor (20) depending on the detected fiber strand tension.
5. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Einrichtung (19) zur Aufrechterhaltung der Faserstrangspan nung mit einer Aufnahmeeinheit (26) zur Aufnahme zumindest einer Spule (18) ver bunden ist. 5. Device (10) according to one of claims 2 to 4, characterized in that the at least one device (19) for maintaining the fiber strand tension is connected to a receiving unit (26) for receiving at least one coil (18).
6. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Spule (18) beabstandet zu dem zumindest einen Roboter arm (13) angeordnet ist. 6. Device (10) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the at least one coil (18) is arranged at a distance from the at least one robot arm (13).
7. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Spule (18) an dem zumindest einen Roboterarm (13) ange ordnet ist. 7. Device (10) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the at least one coil (18) is arranged on the at least one robot arm (13).
8. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (16), auf welcher der Faserträger (11) angeordnet ist, an dem Roboterarm (13) angeordnet ist. 8. Device (10) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the axis of rotation (16) on which the fiber carrier (11) is arranged is arranged on the robot arm (13).
9. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur im Wesentlichen reibungsfreien Zuführung des jeweiligen Faserstranges zu mindest ein Fadenauge (24) an dem zumindest einen Roboterarm (13) angeordnet ist. 9. Device (10) according to one of claims 1 to 8, characterized in that at least one thread eye (24) is arranged on the at least one robot arm (13) for the essentially frictionless feeding of the respective fiber strand.
10. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Faserträger (11 ) auf separaten Drehachsen (16) im Wesentli chen parallel zueinander angeordnet sind. 10. Device (10) according to one of claims 1 to 9, characterized in that at least two fiber carriers (11) are arranged parallel to each other on separate axes of rotation (16) essentially.
11. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Roboterarme (13) einander gegenüberliegend angeordnet sind, die zur in versen Ablage jeweils zumindest eines Faserstranges (12) auf einem zwischen den Roboterarmen (13) auf einer Drehachse (16) angeordneten Faserträger (11) einge richtet sind. 11. The device (10) according to any one of claims 1 to 10, characterized in that two robot arms (13) are arranged opposite one another, which for in verse storage in each case at least one fiber strand (12) on one between the robot arms (13) on one Axis of rotation (16) arranged fiber carrier (11) are aligned.
12. Vorrichtung (10) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zwei Faser träger (11 ) auf einer gemeinsamen Drehachse (16) nebeneinander angeordnet sind. 12. The device (10) according to claim 11, characterized in that two fiber carriers (11) are arranged next to one another on a common axis of rotation (16).
13. Verfahren zum Erzeugen von Wickelmustern auf einem Faserträger (11 ) mit einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Vorrichtung (10) ein geradzahliges Vielfaches parallelisierter Faserstränge (12), mindestens jedoch zwei Faserstränge (12), auf zumindest einen Faserträger (11 ) aufgewickelt werden. 13. A method for generating winding patterns on a fiber carrier (11) with a device (10) according to one of claims 1 to 12, characterized in that the device (10) is an even multiple of parallelized fiber strands (12), but at least two fiber strands (12), are wound onto at least one fiber carrier (11).
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgebbare Faserstrangspannung während des Wickelprozesses unabhängig von der Faserzu- führrichtung eines Faserstranges (12) zwischen Spule (18) und Faserträger (11 ) auf rechterhalten wird. 14. The method according to claim 13, characterized in that a predefinable fiber strand tension is maintained between the spool (18) and the fiber carrier (11) during the winding process, regardless of the fiber feed direction of a fiber strand (12).
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Rotati onsachsen des zumindest einen mehrere Rotationsachsen aufweisenden Roboter arms (13) bei einer parallelisierten Ablage von Fasersträngen (12) verteilt auf parallel zueinander angeordneten Faserträgern (11 ) derart angesteuert werden, dass diese während des gesamten Wickelprozesses mit einem konstanten Winkel betrieben werden. 15. The method according to claim 13 or 14, characterized in that two axes of rotation of the at least one robot arm (13) having a plurality of axes of rotation are controlled in a parallelized storage of fiber strands (12) distributed on fiber carriers (11) arranged parallel to one another in such a way that these are operated at a constant angle during the entire winding process.
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